Схемотехника электронных средств (Схемотехника)

А.П.Кулинич

СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ (СХЕМОТЕХНИКА)

Методическое пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей 210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2012

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой КИПР

______________В.Н. ТАТАРИНОВ

“___” ___________20___ г.

А.П.Кулинич

СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ (СХЕМОТЕХНИКА)

Методическое пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей 210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

2012

Рецензент: профессор кафедры КИПР ТУСУР, д.т.н. Масалов Е.В.

Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озеркин Д.В.

Кулинич А.П.

Схемотехника электронных средств (Схемотехника). Методическое пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 160905 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 43 с.

Методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения высшего специального образования, выполняющих курсовой проект по дисциплине «Схемотехника электронных средств» («Схемотехника»), обучающихся по специальности «Проектирование электронных средств» («Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»). В пособии приведены краткие теоретические сведения и рекомендации, необходимые для выполнения всех разделов курсового проекта. Справочные данные приведены в минимальном количестве, так как они изложены в достаточном объеме в методических пособиях и практикумах по дисциплинам «Общая электротехника и электроника. Часть 2 – Электроника», «Основы проектирования электронных средств», «Функциональные устройства и электрорадиоэлементы» и др. В списке литературы, рекомендуемой для выполнения курсового проекта, дан перечень учебной, справочной и нормативно-технической литературы, обращение к которой позволит студентам углубить знания по теме курсового проекта.

Кулинич А.П., 2012

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,

2012

	3
	СОДЕРЖАНИЕ
1 ВВЕДЕНИЕ.................................................................................		4
1.1	Общие положения ...........................................................................	4
1.2	Цель курсового проектирования....................................................	5

1.3Стадии разработки технической документации курсового

		проекта..............................................................................................	5
	1.4	Технические характеристики и требования к УУ........................	6
	1.5	Состав курсового проекта ..............................................................	8
2	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЬНЫХ
		УСТРОЙСТВАХ ......................................................................	9
	2.1	Принцип действия и структурная схема.......................................	9
	2.2	Технические параметры и характеристики ................................	11
3	ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УУ......................................		14
4	РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УУ..................		18
5	РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ
	ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ............................................		22
	5.1	Транзисторы...................................................................................	22
	5.2	Полупроводниковые диоды .........................................................	27
	5.3	Электрические конденсаторы ......................................................	28
	5.4	Резисторы .......................................................................................	30
6	ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ...............		32
7	СОСТАВ УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА .........................		33
8	РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
	ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ . 34
9	ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................		36
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ ДЛЯ
	ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА.............................		37
ПРИЛОЖЕНИЕ А - ПРИМЕР ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАНИЯ
	НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ...................................		40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - ПРИМЕР ОФОРМЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ..			43

4

1ВВЕДЕНИЕ

1.1Общие положения

Курсовой проект по дисциплинам «Схемотехника электронных средств» (СЭС) по специальности «Проектирование и технология РЭС» и «Схемотехника» (С) по специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» посвящен проектированию усилителя – самого распространенного электронного устройства, имеющего как самостоятельное применение, так и являющегося основой устройств суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, перемножения, деления, сравнения сигналов, преобразования сопротивлений, генерирования сигналов различной формы 1,2 . Усилительные каскады входят также в состав цифровых и импульсных электронных устройств, выполняющих операции формирования, преобразования

ипередачи кодовых последовательностей в виде электрических импульсов.

Входе выполнения курсового проекта студентам необходимо умение применять:

-методику анализа технического задания на разработку электронного средства (ЭС);

-методы проектирования;

-стандарты по проектированию;

-системы автоматизированного проектирования;

-специальную литературу и другие информационные издания.

Для этого необходимо изучить:

-методические и нормативные материалы по проектированию ЭС;

-технические характеристики лучших отечественных и зарубежных конструкций ЭС;

-расчетные методы анализа и синтеза аналоговой схемотехники;

-современные системы автоматизированного проектирования ЭС;

-конструктивное и функциональное исполнение современных и перспективных ЭС.

Для выполнения курсового проекта и успешной его защиты необходимы глубокие знания и понимание следующих разделов дисциплины СЭС (С)

1,2,6…16:

- принципы функционирования, характеристики, основные параметры и классификация полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, режимы работы – активный, насыщения, отсечки;

- схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором (ОБ, ОЭ, ОК); основные параметры; эквивалентные схемы усилителей;

5

-обратная связь и ее влияние на основные показатели и характеристики аналоговых устройств (коэффициент усиления, полоса рабочих частот, входное и выходное сопротивления, линейные (частотные и фазовые) и нелинейные искажения);

-обеспечение и стабилизация режима работы транзисторов по постоянному току (типовые схемы смещения, методика термостабилизации и термокомпенсации);

-выходные усилительные каскады (эмиттерный повторитель, усилитель мощности на комплементарных транзисторах);

-операционные усилители (ОУ), основные параметры и частотные свойства, схемы включения ОУ (инвертирующий и неинвертирующий усилители), расчет по заданным коэффициенту усиления, полосе пропускания, входному сопротивлению.

1.2 Цель курсового проектирования

Целью курсового проектирования является закрепление знаний по дисциплине СЭС (С) и приобретение навыков разработки проектной конструкторской документации (КД) на усилительное устройство (УУ) графической и текстовой. КД определяет состав и устройство УУ и содержит необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта 31 . Заметим, что к проектным конструкторским документам относятся: техническое предложение (ПТ), эскизный (ЭП) и технический (ТП) проекты 31 .

1.3 Стадии разработки технической документации курсового проекта

Данная работа содержит стадии технического предложения и эскизного проекта. Разработку КД начинают с выполнения технического предложения для выявления дополнительных и уточнения заданных требований к УУ (технических параметров и характеристик, состава, схемы и пр.) и для выбора оптимального варианта структурной схемы УУ, обеспечивающей наилучший технический эффект. Оптимизацию наиболее целесообразно выполнять на ЭВМ с использованием математических моделей и количественных методов оптимизации 31. Вначале целесообразно выполнить ориентировочный (эскизный, прикидочный) расчет вручную или с использованием прикладного пакета 6 для приближенного решения поставленной задачи. При этом надо иметь ввиду, что УУ определяются весьма большим набором зачастую противоречивых параметров и характеристик, а проектирование носит многофакторный, итерационный характер и во многом зависит от интуиции, знаний и опыта разработчика 4 . Поэтому неизбежны ошибки, промахи и тупиковые

6

ситуации, разрешить которые помогут консультации преподавателя, обсуждение с коллегами, изучение известных технических решений и примеров и повторные расчеты.

Для выполнения курсового проекта в срок необходимо придерживаться определенного графика, контрольными точками в котором будут обязательные аудиторные занятия или консультации с отчетностью перед преподавателем. Основными этапами в этом графике могут быть следующие:

1)анализ технического задания (ТЗ), обзор литературы, поиск аналогов

иих изучение 1,2,10, 11,16 ;

2)выбор, обоснование и расчет структурной схемы УУ и формулировка

требований к отдельным каскадам 1,4 ; 3) обоснованный выбор активных элементов (интегральных микросхем,

полевых и биполярных транзисторов) с учетом ограничений ТЗ на вид мон-

тажа 1,7…11,14…16;

4)расчет выходного каскада 1,2,4,10,15,29 ;

5)расчет предварительного и промежуточных каскадов 1,2,4,10,12,15,

16 ;

6) составление принципиальной схемы УУ и ее электрический расчет 1,2,4,7...16, включая расчет параметров всех активных и пассивных электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

7)выбор и обоснование источника вторичного электропитания (ИВЭП)14…21;

8)оформление пояснительной записки (ПЗ) и графической части курсо-

вого проекта (КП) 13,21,24,31 .

1.4 Технические характеристики и требования к УУ

Проектирование УУ в общем случае условно можно разделить на следующие этапы:

-разработка технических требований;

-разработка структурной и/или функциональной схемы;

-разработка электрической принципиальной схемы;

-расчет параметров элементов принципиальной схемы;

-выбор типов и номиналов элементов УУ;

-моделирование УУ и внесение изменений по результатам моделирова-

ния;

- макетирование УУ, экспериментальная проверка и снятие характери-

стик.

Технические требования к УУ формулируются в виде числовых значений его параметров и условий его эксплуатации. Основными параметрами являются следующие:

7

-входное и выходное сопротивления УУ (или сопротивления источника сигнала и нагрузки);

-коэффициент усиления;

-полоса рабочих частот на заданном уровне частотных искажений;

-коэффициенты нелинейности сигнала, общих гармонических искажений, частотных искажений;

-номинальная выходная мощность и КПД;

-шумовые характеристики и отношение сигнал/шум, защищенность от внешних и внутренних помех;

-показатели надежности;

-амплитудная характеристика и динамический диапазон;

-переходная характеристика или параметры искажения импульсного сигнала;

-стабильность показателей, обычно задаваемая как отношение абсолютного приращения данного показателя к его номинальному значению.

Указанные параметры могут конкретизироваться и дополняться рядом других. Так требования к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) усилителя определяют обычно значениями коэффициента усиления на определенных частотах, стабильностью коэффициента усиления во времени и при замене элементов схемы, а также при изменении температуры внешней среды

ипри изменении напряжения питающей сети. Таким образом, перечень параметров может быть очень широким и использовать все значения при расчетах довольно затруднительно, поэтому проектирование осуществляют исходя из некоторых основных параметров. По мере разработки и расчета схемы проверяют, насколько она отвечает всему комплексу параметров и, в случае необходимости, ее изменяют, дополняют, вводят новые узлы, создают обратные связи, цепи коррекции и т.п. Окончательное заключение о соответствии параметров УУ требованиям ТЗ выносится после экспериментальной проверки его макета. На этом этапе в схему и конструкцию УУ вносятся коррективы, накладываемые техническими возможностями производства и программой выпуска готовой продукции. В данном проекте за исходные параметры примем следующие:

-сопротивления нагрузки и источника сигнала;

-ЭДС источника сигнала и максимальная мощность, отдаваемая УУ в нагрузку;

-верхняя и нижняя граничные частоты;

-уровень частотных искажений.

8

1.5 Состав курсового проекта

Курсовой проект является учебным и поэтому не преследует цель полного соответствия проектных документов требованиям ЕСКД как по обязательной комплектности КД, так и по их содержанию. Однако это обстоятельство не освобождает студента-проектировщика от выполнения требований ЕСКД по оформлению ПЗ и графической части КП.

Перечень необходимых документов КП может быть как индивидуальным, так и общим на всю группу. Поскольку комплектность КД для каждой стадии устанавливают ГОСТ и ТЗ на разрабатываемые устройства, то текстовыми документами в данном КП, согласно ТЗ, являются: таблицы, расчеты, программа и методика испытаний, а также документы эксплуатационные (для изучения устройства и правил его эксплуатации): техническое описание, инструкция по эксплуатации и инструкция по обслуживанию. Эти документы в данном КП составляются в виде «Рекомендаций». При составлении «Рекомендаций» можно использовать результаты и материалы, полученные при выполнении лабораторных работ по дисциплине.

9

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

2.1 Принцип действия и структурная схема

Усилитель предназначен для усиления мощности входного сигнала с помощью активных элементов путем преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Активными элементами в усилителях могут быть биполярные и полевые транзисторы и интегральные микросхемы. Такие усилители принято называть полупроводниковыми. В усилителе вход-

ной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку 1,2, 14 .

Принцип действия усилительного каскада поясним с помощью схемы, приведенной на рисунке 2.1. Основой резистивного (апериодического) усилителя являются: нагрузочный элемент с сопротивлением R (например, резистор), источник питания с напряжением EП и активный элемент АЭ (например, полевой транзистор), сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала UВХ. За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением EП в цепи резистор R – сток-исток транзистора. В результате будет меняться падение напряжения на резисторе, следовательно, и выходное напряжение UВЫХ.

Рисунок 2.1 – Схема резистивного усилителя с общим истоком на полевом транзисторе с p-n переходом [14]

В правильно спроектированном усилителе напряжения нетрудно получить UВЫХ > UВХ. Если напряжение UВЫХ снимается относительно отрицательного полюса источника питания, к которому подсоединен исток транзистора, то входное и выходное напряжения противофазны. Если же UВЫХ снимается относительно положительного полюса, то эти напряжения синфазны.

На структурной схеме усилительного каскада (рисунок 2.2) усилитель представлен как активный четырехполюсник с общей шиной для входа и выхода. Источник входного сигнала показан в виде генератора с напряжением EГ и сопротивлением RГ. На выходе усилителя подключено сопротивление нагрузки RН. Сопротивления RН и RГ оказывают существенное влияние на ра-